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1932年夏，清華大學工學院成立，內設機械工程學系、電機工程學系和土木工程學系。機械工程學系由莊前鼎先生籌建并擔任系主任，以“造就各項機械工程專門人才，適應國內社會需要”為宗旨，建系之初設立3個學科組：原動力工程組、機械制造工程組、飛機及汽車工程組。

1933年，機械工程館（位于現(xiàn)二校門東側，現(xiàn)熱能工程系系館）動工。

1934年，飛機及汽車工程組更名為航空工程組，而其中的汽車工程部分則并入原動力工程組。

1935年春，機械工程館落成，其一層為熱工實驗室。在一院（清華學堂）東邊建有金、木、鍛、鑄等機械制造工場。當時的實驗室設備大多從歐美購置，“比之歐美各大學機械實驗設備，實不相上下，堪稱國內*完備之機械實驗室”。

1935年秋，國內機械工程界擬籌設“中國機械工程學會”。在7位發(fā)起人中，有清華機械工程學系4位教授：劉仙洲、莊前鼎、李輯祥、王士倬，籌備處設在清華大學。1936年5月該學會正式成立，莊前鼎先生曾連任前幾屆副會長，直至1945年后由劉仙洲先生擔任該學會的副會長。

1937年抗戰(zhàn)爆發(fā)，清華大學、北京大學、南開大學南遷，組成長沙臨時大學。1938年2月，長沙臨大又西遷昆明成為西南聯(lián)大。在西南聯(lián)大期間，機械工程學系是工學院中規(guī)模*大、學生人數(shù)*多的系。長沙臨大和西南聯(lián)大期間的系主任是李輯祥先生。

1945年抗戰(zhàn)勝利后，組成西南聯(lián)大的三校分別北返，次年10月清華大學復學。復學后的機械工程學系有學生340人，為全校*大之系。此后兩年內，機械工程學系除恢復了原有的熱工實驗室及金工廠外，還新設了金屬學實驗室。1950年李輯祥先生病休，莊前鼎先生再任系主任。

1949年北平解放時，機械工程學系大部分教師和工作人員都留在學校，參與了建國初期清華大學的建設。新清華機械工程學系的**屆系主任是莊前鼎先生。至1952年夏，每屆機械工程學系學生為100人左右，不分專業(yè)，不分小班，前三年級一起上課，第四年級才按原動力組、制造組分組選課。1951-

1952年原動力組分為動力組和汽車組。

1952年國內高校院系調整，北京大學和燕京大學兩校的機械系轉入清華大學，與清華的機械工程學系合并組成了機械制造系和動力機械系。新成立的機械制造系系主任是來自北大的李酉山先生，系內設4個專業(yè)：機械制造工程、金屬切削機床及其工具、鑄造機械及鑄造工程、金屬壓力加工及加工機械，同時設置兩個專修科：金工工具，鑄造工程。動力機械系系主任是莊前鼎先生，系內設有2個專業(yè)：熱力動力裝置專業(yè)（后改名為熱力發(fā)電設備專業(yè)）和汽車專業(yè)（后改為汽車拖拉機專業(yè)），兩系除專業(yè)教學外，分別承擔全校的一些技術基礎課，如機械制圖、機械原理與設計、金工實習、熱工學等。

1954年，留美知名學者、清華校友吳仲華教授回到動力機械系工作，于1956年建立了燃氣輪機專業(yè)。同年，又由王補宣教授負責新建工業(yè)熱工專業(yè)，1957年底改名為工程熱物理專業(yè)，1960年，該專業(yè)轉到工程力學系。

1955年，建成鑄造、鍛壓、焊接及金屬熱處理實驗樓（即焊接館）及鑄造和鍛壓試驗基地。

1956年，機械制造工程專業(yè)與金屬切削機床及其工具專業(yè)合并為機械制造工藝、金屬切削機床及工具專業(yè)。同年“汽車樓”和汽車試驗室、發(fā)動機試驗室落成。

1958年，機械制造系增設精密儀器制造專業(yè)。

1960年，機械制造系分為“精密儀器及機械制造系”和“冶金系”，分別負責冷熱加工兩類專業(yè)的教學工作，但兩系仍建同一黨總支，精儀系系主任為鄒致圻先生，冶金系系主任為李酉山先生，部分行政工作統(tǒng)一管理。1960年10月，在動力機械系原有汽車拖拉機專業(yè)的基礎上，建立了農業(yè)機械系，系主任是李輯祥先生，但與動力機械系合署辦公，同一黨總支、同一行政領導班子，莊先生和李先生輪流主持每周系務會議。1962年7月莊先生去世后，李先生兼動力、農機兩系系主任。1963年，兩系改名為動力與農機系。

1965年，精密儀器及機械制造系系館（9003大樓）落成。精密儀器及機械制造系和冶金系完全分開。

1970年初，動力農機系和冶金系撤消。汽車拖拉機專業(yè)改為汽車專業(yè)，與冶金系各原有專業(yè)、精儀系的機械制造專業(yè)和學校機械廠合并，成立清華大學汽車廠，“以廠帶學”。原動力機械系的熱點專業(yè)改稱鍋爐專業(yè)，并與燃氣輪機專業(yè)并入當時的電機系（改稱為電力工程系）；熱工量測及自動控制專業(yè)并入自動控制系；熱工教研組轉到化學工程系。

1971年，校汽車廠停止生產汽車，恢復校機械廠，而計劃入廠的冶金系各專業(yè)（鑄、鍛、焊、金屬材料）連同汽車專業(yè)、機械制造專業(yè)合成為機械制造系。同年，精密儀器及機械制造系改稱精密儀器系。

1972年，精密儀器專業(yè)改為陀螺導航與自動控制專業(yè)。

1977年，汽車專業(yè)連同1970年被歸屬于電力工程系的熱能電力裝置、燃氣輪機兩專業(yè)回歸動力機械系建制，機械制造專業(yè)也回歸精密儀器系。于是，機械制造系只留下了原冶金系的4個專業(yè)：鑄造、鍛壓、焊接和金屬與熱處理，系名改為現(xiàn)在的機械工程系。

1978年，動力機械系更名為熱能工程系，熱電專業(yè)改名為熱能工程專業(yè)，并增設內燃機專業(yè)。

1979年，供熱與通風專業(yè)從土木工程系轉入熱能工程系，更名為空氣調節(jié)工程專業(yè)。同年，實驗電廠歸屬熱能工程系，鍋爐教研組改名為熱能工程教研組。

1980年7月，由熱能系的汽車專業(yè)和內燃機專業(yè)組建汽車工程系，但仍與熱能工程系合署辦公，共有一個系黨委和一套行政班子。

1984年，精密儀器系更名為現(xiàn)今的精密儀器與機械學系。

1989年，精密儀器專業(yè)和光學儀器專業(yè)合并為精密儀器儀表專業(yè)（1995年改稱測控技術與儀器專業(yè)）。1997年精密儀器與機械學系增設工業(yè)工程專業(yè)。

1990年，熱能工程系和汽車工程系的黨政機構正式分開。熱能工程系設有熱能工程、熱力渦輪機（現(xiàn)為動力機械工程）、空調3個專業(yè)。汽車工程系設有汽車和內燃機2個專業(yè)。

1993年，熱能工程系的熱力渦輪機專業(yè)改稱動力機械及工程專業(yè)，汽車工程系的汽車、內燃機2專業(yè)合并成汽車工程專業(yè)。1997年汽車工程專業(yè)改名為車輛工程專業(yè)，仍包含發(fā)動機方向。

1996年1月，為了適應科學技術與教育發(fā)展的需要，進一步提高機械工程學科的教學、科研水平，學校決定由機械工程系、精密儀器與機械學系和汽車工程系組成機械工程學院。金國藩院士擔任學院**任院長，副院長由各系系主任選任；設立院學術委員會，由各系有名教授組成；設立機械工程學院辦公室，協(xié)調處理學院公共事務。原由各系負責的教學、科研、行政、人事等工作仍由各系分別進行。

1998年10月，為了加強學科建設，促進多學科交叉、融合，學校又決定將熱能工程系和工程力學系并入機械工程學院。熱能工程系各專業(yè)、工程力學系的工程熱物理專業(yè)以及汽車工程系“動力機械及工程”學科的研究生均屬于“動力工程與工程熱物理”**學科。汽車工程系“車輛工程”學科的研究生則同機械工程系、精密儀器與機械學系各專業(yè)的研究生同屬于“機械工程”**學科。1999年1月，過增元院士擔任學院**任院長。

2001年8月，為了在建立現(xiàn)代企業(yè)制度、加強企業(yè)內部科學管理、落實國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、技術**等重大舉措中發(fā)揮作用，學校決定成立工業(yè)工程系，隸屬于機械工程學院。

2004年5月，清華大學航天航空學院成立，工程力學系從機械工程學院劃轉入航天航空學院。

2008年7月，由機械工程系和精密儀器與機械學系相關教師成立航空宇航制造工程二級學科，掛靠機械工程系。

2008年1月，精密儀器與機械學系系主任尤政擔任學院第三任院長。同年11月，學校調整清華大學基礎工業(yè)訓練中心的隸屬關系，將該中心由清華產業(yè)系統(tǒng)劃轉至機械工程學院。至此，清華大學機械工程學院形成了目前以機械工程學科為主，包括機械工程系、精密儀器與機械學系、熱能工程系、汽車工程系、工業(yè)工程系以及基礎工業(yè)訓練中心的局面，開始了新的發(fā)展時期。

2012年12月，為更好的推動儀器與光學學科的發(fā)展，學校決定成立清華大學精密儀器系，由原精密儀器與機械學系儀器與光學學科組成。并由原機械工程系和原精密儀器與機械學系中機械工程學科教職工組建新的機械工程系，同時撤銷精密儀器與機械學建制。